(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、
前記昇降台に設けたチャックに保持され、昇降台の下降に伴って地中に貫入する貫入ロッドと、
貫入ロッドにかかる実荷重を検出する荷重センサと、
昇降台を昇降操作するとともに、トルク指令値に応じた上昇力を昇降台に加えて昇降台の総重量から当該上昇力を減じた荷重を試験荷重として貫入ロッドに負荷する昇降用モータと、
荷重検出センサによる検出値と目標の試験荷重値との偏差に基づいて昇降用モータへ出力するトルク指令値をフィードバック制御する制御ユニットと
を備えることを特徴とする自動貫入試験機。
【請求項２】
前記制御ユニットは、フィードバック制御とフィードフォワード制御を併用して昇降用モータを駆動制御する構成であることを特徴とする請求項１に記載の自動貫入試験機。
【請求項３】
前記制御ユニットは、荷重センサの固有特性データに基づいて出力値を変換する固有特性補償手段を内蔵していることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動貫入試験機。
【請求項４】
前記制御ユニットは、昇降用モータの加速度に応じて昇降用モータへ出力するトルク指令値を減算する振動防止手段を内蔵していることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の自動貫入試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫入ロッドを地中へ貫入し、その貫入抵抗に基づいて地盤の硬軟を判定する自動貫入試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、貫入試験の一例としてスウェーデン式サウンディング試験を行う自動貫入試験機としては、特許文献１に示すものがある。
【０００３】
特許文献１に示す自動貫入試験機は、昇降台に設けたチャックに保持される貫入ロッドを有しており、昇降用モータの駆動により、昇降台が昇降するように構成されている。また、荷重オープンループ制御により、あらかじめ校正試験によって設定されたトルク指令値で昇降用モータを駆動し、昇降台に上昇力を加える。この構成により、（昇降台の総重量に基づく荷重）−（昇降用モータの上昇力）で決定される荷重が試験荷重として貫入ロッドに負荷される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の荷重オープンループ制御による自動貫入試験機は、構成部品の経年劣化等、システムにおける外乱を補償できないので、実際に貫入ロッドに負荷される荷重の精度補償については万全ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の自動貫入試験機は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、前記昇降台に設けたチャックに保持され、昇降台の下降に伴って地中に貫入する貫入ロッドと、貫入ロッドにかかる実荷重を検出する荷重センサと、昇降台を昇降操作するとともに、トルク指令値に応じた上昇力を昇降台に加えて昇降台の総重量から当該上昇力を減じた荷重を試験荷重として貫入ロッドに負荷する昇降用モータと、荷重検出センサによる検出値と目標の試験荷重値との偏差に基づいて昇降用モータへ出力するトルク指令値をフィードバック制御する制御ユニットとを備える。
【０００７】
また、前記制御ユニットは、フィードバック制御とフィードフォワード制御を併用して昇降用モータを駆動制御する構成であることが望ましい。
【０００８】
また、前記制御ユニットは、荷重センサの固有特性データに基づいて出力値を変換する固有特性補償手段を内蔵していることが望ましい。
【０００９】
また、前記制御ユニットは、昇降用モータの加速度に応じて昇降用モータへ出力するトルク指令値を減算する振動防止手段を内蔵していることが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の自動貫入試験機は、貫入ロッドに負荷された実荷重に基づいて昇降用モータへ出力するトルク指令値をフィードバック制御する構成により、貫入ロッドに負荷する荷重を高精度に制御するため、所望の試験荷重を貫入ロッドに負荷でき、貫入試験の信頼性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の自動貫入試験機の斜視図である。
【図２】本発明の自動貫入試験機の側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線拡大一部切欠断面図である。
【図４】本発明の自動貫入試験機のチャックの構成を示す要部拡大一部切欠断面図である。
【図５】本発明の自動貫入試験機の荷重センサの構成を示す図である。
【図６】本発明の自動貫入試験機の制御ユニットによる昇降用モータの駆動システムブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は自動貫入試験機であり、支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有している。この昇降台３には、所定重量の錘３ａと、回転用モータ６と、この回転用モータ６の駆動を受けて回転可能なチャック５と、このチャック５に保持されて一体に回転し、先端にスクリューポイント４ｂを備える貫入ロッド４と、昇降台３を昇降操作させるための昇降用モータ８とが載荷されている。
【００１３】
図２に示すように、前記昇降台３は、支柱２に沿って垂直に配された案内チェーン２ａに沿って回転するスプロケット７を有し、このスプロケット７が案内チェーン２ａに沿って回転することで昇降するように構成されている。この昇降台３および昇降台３に載荷された総重量により、前記貫入ロッド４には１ＫＮの荷重が負荷できるように構成されている。
【００１４】
図３に示すように、前記スプロケット７は、遊星歯車機構１１を介して伝達軸１２と一体に回転するように連結されている。また、前記昇降用モータ８の正逆転可能な駆動軸８ａの先端には駆動歯車１３が一体に回転するように取付けられている。さらに、この駆動歯車１３には、中間歯車１４および伝達歯車１５が順に噛合しており、当該昇降用モータ８の駆動を伝達軸１２に伝達するように構成されている。
【００１５】
また、前記伝達歯車１５は、中空の円柱を成し、その外周面に外歯を備える構成である。そして、この伝達歯車１５の内部には、一方向クラッチ１６が当該伝達歯車１５と一体に回転するよう圧入されるとともに、伝達軸１２に回転自在に支持されている。この第１の一方向クラッチ１６の作用により、昇降台３が上昇しようとする方向にスプロケット７を回転させるよう昇降用モータ８が駆動（便宜上、この駆動を正転駆動とする）したとき、昇降用モータ８の駆動が伝達軸１２へ伝達される。このため、（昇降台３の総重量に基づく荷重１ＫＮ）−（昇降用モータ８の出力トルクに応じた上昇力）で決定される荷重が試験荷重として貫入ロッド４に負荷される。
【００１６】
一方、これとは逆に昇降用モータ８が駆動（便宜上、この駆動を逆転駆動とする）すると、一方向クラッチ１６は空転する。このため、昇降用モータ８の駆動が伝達軸１２に伝達されない状態を創出でき、貫入ロッド４には昇降台の総重量に基づく１ＫＮ（最大試験荷重）を負荷することができる。
【００１７】
前記伝達軸１２には、ロータリエンコーダ１７が取付けられており、スプロケット７の回転に伴うパルス信号を出力する。そして、詳細を後述する制御ユニット５０のメイン制御装置８０が当該パルス信号を処理し、昇降台３の昇降量、昇降速度に基づき貫入ロッド４の貫入量、貫入速度を演算する。
【００１８】
前記昇降用モータ８は、インダクションモータであり、詳細を後述するインバータ制御装置６０によって駆動制御される。この昇降用モータ８の駆動軸８ａの後端には、主動プーリ１８が一体に回転可能に取付けられている。この主動プーリ１８から所定の間隔をおいた位置には従動プーリ１９が配置されており、これらプーリ１８，１９には無端ベルト２０が巻き掛けられている。そして、従動プーリ１９には、昇降用モータ８の加速度検出手段として、ロータリエンコーダ２１が取付けられており、昇降用モータ８の駆動軸８ａの回転に伴うパルス信号を検出するように構成されている。このロータリエンコーダ２１によるパルス信号は、昇降用モータ８のインバータ制御装置６０およびメイン制御装置８０へ出力される。
【００１９】
なお、インダクションモータに代えてＡＣサーボモータを用いてこれに準じた駆動制御部を備える構成であっても同等の機能を実現することができる。 
【００２０】
図４に示すように、前記チャック５は、軸受４５，４６，４７，４８によって回転自在に支持された中空のチャック軸３１と、このチャック軸３１にマシンキー（図示せず）を介して挿入されるフランジ型のスリーブ３２とから構成されている。このスリーブ３２は、ばね３３によって上方へ常時付勢されており、チャック軸３１の外周面を摺動しながら移動可能に構成されている。一方、円周方向へはチャック軸３１と一体に回転するように構成されている。また、チャック軸３１にはその外周を３等分する位置に鋼球３４を収納可能な収納孔が穿設されている。この鋼球３４が貫入ロッド４の外周面に形成された係合溝４ｃと嵌合し、貫入ロッド４を保持する。さらに、スリーブ３２の上部の内径はチャック軸３１の内径より大径に形成されており、スリーブ３２をばね３３の付勢に逆らって手動で押下げると、鋼球３４が貫入ロッド４の係合溝４ｃから外れる。この状態でスリーブ３２とともにチャック軸３１を回転し、鋼球３４を貫入ロッド４の係合溝４ｃが形成されていない位置まで移動させると、スリーブ３２から手を離しても貫入ロッド４とチャック軸３１との係合が解かれた状態となる。
【００２１】
前記昇降台３には回転用モータ６が載荷されている。回転用モータ６は、インダクションモータであり、駆動軸６ａの後端にロータリエンコーダ７を取り付けることで、インバータ制御装置（図示せず）によって駆動制御される。この回転用モータ６の駆動軸６ａの先端には、一方向クラッチ３５を介して主動スプロケット３６が取付けられている。一方、チャック軸３１の下端には従動スプロケット３７が取付けられており、これらスプロケット３６，３７に無端チェーン３８を巻き掛けて回転用モータ６の回転駆動をチャック軸３１へ伝達することで、貫入ロッド４が回転する。
【００２２】
ここで、前記貫入ロッド４先端のスクリューポイント４ｂは、日本工業規格Ａ１２２１に示されるように、長さ２００ｍｍに対して１回の捻りが加えられたドリル形状を成すものである。したがって、前記一方向クラッチ３５は、スクリューポイント４ｂの捻りに合わせて貫入ロッド４を地中にねじ込む方向に回転用モータ６が駆動（以下、便宜上、この駆動を正転駆動とする）しときにはその駆動は主動スプロケット３５へ伝達されるので、貫入ロッド４は回転する。一方、これとは逆方向に回転用モータ６が駆動（以下、便宜上、この駆動を逆転駆動とする）したときには空転するので、貫入ロッド４は回転しない。なお、この構造については、特開２００５−２７３１号公報に示されているものと同じである。
【００２３】
図５に示すように、前記チャック軸３１には荷重センサの一例としてワッシャ型ロードセル３９が挿入されている。このワッシャ型ロードセル３９は、センサ本体４０の下面に円周方向に対して等間隔に成形される受圧部４１と、センサ本体４０の上面に円周方向に対して等間隔に成形される支持部４２と、センサ本体４０に貼付けられる歪みゲージ４３とから構成されている。この構成により、貫入ロッド４に実際にかかるスラスト荷重がチャック軸３１を支持するアンギュラ玉軸受４５，４６および円筒ころ軸受４７を介して受圧部４１へ伝達され、これに応じて支持部４２が受圧板４４に対して支点となりセンサ本体４０に歪みが生じる。この歪みを歪みゲージ４３が検出することにより、貫入ロッド４にかかる荷重を精度良く検出できる。
【００２４】
図６に示すように、自動貫入試験機１の制御ユニット５０は、昇降用モータ８を駆動制御するインバータ制御装置６０と、回転用モータ６を駆動制御するインバータ制御装置（図示せず）と、前記ワッシャ型ロードセル３９の検出信号に基づいてインバータ制御装置６０に対してフィードバック制御を実行する荷重制御装置７０と、これらインバータ制御装置６０および荷重制御装置７０へ各種指令を送るメイン制御装置８０と、各種パラメータ及び制御量データが格納されている記憶装置９０と、Ｉ／０インターフェイス１００とから構成されている。
【００２５】
前記インバータ制御装置６０は、前記荷重制御装置７０から入力されるトルク指令値で昇降用モータ８をトルク制御する。その構成は、三相交流電源（図示せず）をコンバータ回路６１で直流に変換し、平滑用コンデンサ６２で平滑化された直流電圧をインバータ回路６３で交流電圧に変換することで、可変の電圧・周波数を昇降用モータ８へ与えるように構成されている。そして、電流検出器６４およびロータリエンコーダ２１の出力に基づいて演算回路６５（ＭＰＵ）が、モータ電流のフィードバック制御を実行することでベクトル制御方式による運転が可能となる。このように、昇降用モータ８にロータリエンコーダ２１を組み合わせたベクトル制御方式により、インバータ制御装置６０は、昇降用モータ８の回転数および出力トルクを制御することで、トルク制御および速度制御を実現する。なお、速度制御時は、前記メイン制御装置８０から入力される速度指令値で昇降用モータ８を駆動制御する。また、このインバータ制御装置６０は、速度制限及びトルク制限を設定できるものであり、これら設定値を超えない範囲で駆動制御を実行するように構成されている。
【００２６】
前記荷重制御装置７０は、前記メイン制御装置９０から入力される荷重指令値が貫入ロッド４に付加されるよう、インバータ制御装置６０へ入力するトルク指令値を決定するものであり、前記ワッシャ型ロードセル３９の出力に基づいてフィードバック（ＦＢ）制御の一例としてＰＩＤ制御を実行するＰＩＤ制御回路７１を内蔵している。このＰＩＤ制御は、比例制御（Proportional Control)、積分制御（Integral Control)、微分制御（Derivative Control)を組み合わせたものである。
【００２７】
【数１】
0005767596.tif 000002
【００２８】
そこで、上記数１に基づいてワッシャ型ロードセル３９の出力値を目標値に近づけるために、トルク指令値の操作量ｙ（ｔ）が演算される。右辺の第１項は比例制御、第２項は積分制御、第３項は微分制御による操作量であり、これら操作量を加算して操作量ｙ（ｔ）が算出される。また、ｅ（ｔ）は出力値と目標値の偏差、Ｋｐは比例制御の比例定数、Ｋｉは積分制御の比例定数、Ｋｄは微分制御の比例定数を示すものであり、これらＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄはチューニングによって最も応答性に優れた値に設定されている。
【００２９】
また、前記荷重制御装置７０には、フィードバック制御と併用してフィードフォワード（ＦＦ）制御を実行するためのフィードフォワード補償回路７２が内蔵されている。前記記憶装置９０には試験荷重に対応するトルク指令値が記憶されており、当該フィードフォワード補償回路７２は、前記メイン制御装置８０から荷重指令が発せられると、これに対応するトルク指令値を記憶装置９０から読み込んで、インバータ制御装置６０へ初期値として与える。しかも、前記ＰＩＤ制御回路７１による制御量データは、記憶装置９０に荷重指令に対応する新たなトルク指令値として生成される。そして、この生成されたトルク指令値とＰＩＤ制御回路７１から出力される制御量データとが加算され、インバータ制御装置７０へトルク指令値として出される。このように、フィードフォワード補償回路７２は、外乱要因によるフィードバック制御の乱れを前もって抑えるように構成されている。
【００３０】
また、前記ワッシャ型ロードセル３９は、両面から挟み込まれるように挿入されているため、固有特性が生じてしまう。そこで、前記荷重制御装置７０には、固有特性補償回路７３が内蔵されており、ワッシャ型ロードセル３９の固有特性に応じて設定された補正パラメータに基づき、入力値（検出値）を変換して出力するように構成されている。
【００３１】
また、前記荷重制御装置７０には、振動防止回路７４が内蔵されている。この振動防止回路７４では、ロータリエンコーダ２１の出力から昇降用モータ８の加速度を算出し、この加速度に応じて前記ＰＩＤ制御回路７１およびフィードフォワード補償回路７２による制御量データを減算してインバータ制御装置６０へトルク指令値として出力する。これにより、昇降用モータ８が滑らかに駆動し、振動を防止することができる。
【００３２】
前記メイン制御装置８０は、荷重制御装置７０あるいはインバータ制御装置６０へ各種指令を発する他に、試験結果を算出するように構成されている。上記自動貫入試験機１でスウェーデン式サウンディング試験を実行した場合、自沈貫入試験では、貫入ロッド４に対して段階的に荷重を負荷する。そして、各荷重下における貫入ロッド４の貫入量が昇降台３に取り付けられたロータリエンコーダ１７の出力値に基づいて算出される。なお、自沈貫入試験では、貫入ロッド４は回転させないので、回転用モータ６は駆動しない。一方、回転貫入試験では、昇降用モータ８を逆転駆動し、昇降台３の質量に基づく１ＫＮの荷重を貫入ロッドに負荷した状態で回転用モータを駆動することにより、貫入ロッド４を回転貫入させる。そして、貫入ロッド４を２５ｃｍ貫入させるのに要した回転数がロータリエンコーダ７の出力に基づいて算出される。そして、これら試験結果は、モニタ表示あるいはプリントアウトされることで作業者へ知らされる。
【００３３】
本発明の自動貫入試験機１によれば、前記昇降用モータ８に対して、前記インバータ制御装置６０のベクトル制御方式によるトルク制御に加えて、前記荷重制御装置７０によるワッシャ型ロードセル３９の検出値に基づくフィードバック制御を行うことで、試験荷重を高速かつ高精度に制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
上記自動貫入試験機１は、貫入ロッドに対して、荷重制御、貫入速度制御及び荷重検出を実現するための全機能を備えているので、スウェーデン式サウンディング試験に限らず他の貫入試験の自動化に寄与するベースマシンとして利用できる。
【００３５】
貫入試験の一例として地盤工学会基準（ＪＧＳ１４３１）のポータブルコーン貫入試験は、静的にコーンを地中へ押し込むものであり、所定の貫入速度でコーンを貫入させながら所定深度毎に貫入抵抗を読み取るものである。そこで、前記貫入ロッド４のスクリューポイント４ｂに代えて当該コーンを取り付け、前記インバータ制御装置６０のベクトル制御方式による制御モードをトルク制御モードから速度制御モードへ切り替えることで、所定の貫入速度でコーンを地中へ貫入することが可能となる。また、前記ロータリエンコーダ１７でコーンの貫入深度を監視しながらワッシャ型ロードセル３９の検出値を読み取ることで、所定深度毎の貫入抵抗を検出することが可能となる。したがって、上記自動貫入試験機１は、ポータブルコーン貫入試験の自動化を実現できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  自動貫入試験機
２  支柱
２ａ  案内チェーン
３  昇降台
３ａ  錘
４  貫入ロッド
４ｂ  スクリューポイント
４ｃ  係合溝
５  チャック
６  回転用モータ
７  ロータリエンコーダ
６ａ  駆動軸
８  昇降用モータ
８ａ  駆動軸
１１  遊星歯車機構
１２  伝達軸
１３  駆動歯車
１４  中間歯車
１５  伝達歯車
１６  一方向クラッチ
１７  ロータリエンコーダ
１８  主動プーリ
１９  従動プーリ
２０  無端ベルト
２１  ロータリエンコーダ
３１  チャック軸
３２  スリーブ
３３  ばね
３４  鋼球
３５  一方向クラッチ
３６  主動スプロケット
３７  従動スプロケット
３８  無端チェーン
３９  ワッシャ型ロードセル
４０  ロードセル本体
４１  受圧部
４２  支持部
４３  歪みゲージ
４４  受圧板
４５，４６  アンギュラ玉軸受
４７，４８  円筒ころ軸受
５０  制御ユニット
６０  インバータ制御装置
６１  コンバータ回路
６２  平滑用コンデンサ
６３  インバータ回路
６４  電流検出器
６５  演算回路（ＭＰＵ）
７０  荷重制御装置
７１  ＰＩＤ制御回路
７２  フィードフォワード補償回路
７３  固有特性補償回路
７４  振動防止回路
８０  メイン制御装置
９０  記憶装置
１００  Ｉ／０インターフェイス
【図１】
0005767596.tif 000003
【図２】
0005767596.tif 000004
【図３】
0005767596.tif 000005
【図４】
0005767596.tif 000006
【図５】
0005767596.tif 000007
【図６】
0005767596.tif 000008